趙欣悅，王金鳳*，李慶，李文靜

（1 山西師范大學地理科學學院，山西 臨汾 041000；2 河北省科學院地理科學研究所/河北省地理信息開發(fā)應用工程技術研究中心，河北 石家莊 050011）

生態(tài)系統(tǒng)通過自身與外部環(huán)境的物質和能量交換，發(fā)揮多種功能，為人類提供各種服務。其服務功能是人類社會生存和發(fā)展的基礎，在維持生命支持系統(tǒng)與環(huán)境的動態(tài)平衡方面具有不可替代的作用[1-2]。土壤侵蝕控制和沉積物保持是生態(tài)系統(tǒng)服務的重要功能之一，過量的土壤侵蝕與沉積會造成水土流失、土壤肥力下降、河流泥沙沉積等后果，進而造成嚴重的自然災害和經濟損失[3-5]。水土保持作為人類干預生態(tài)系統(tǒng)的有效手段，其生態(tài)服務功能也越來越受到重視[6-7]。研究土壤侵蝕規(guī)律，制定有效的土壤保持措施對流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義[8-9]。

土壤侵蝕是降水、土壤、土地利用、地形、耕作管理等因素相互影響和制約的綜合結果[10]。基于上述影響因素，Wischmeier等[11]提出了通用土壤流失方程（USLE），在此后的土壤侵蝕研究中廣泛應用。然而，USLE在計算水土保持量時沒有考慮上游地塊攔截泥沙的能力，影響了水土保持量計算結果的準確性[12]。為應對這一問題，InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs）模型的沉積物保留模型不斷發(fā)展，最新版本已在USLE基礎框架上考慮了地塊自身攔截上游沉積物的能力[13]。模型可以幫助人們了解不同自然條件、農業(yè)活動和水土保持措施下的平均水土流失量，為決策者權衡人類活動的效益和影響提供科學依據(jù)，盡可能減少水土流失[14]。近年來，基于InVEST模型的海河流域及其周邊生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估研究不斷涌現(xiàn)。周彬等[15]對北京山區(qū)不同森林類型的土壤保持功能進行研究，發(fā)現(xiàn)天然混交針葉林保土能力最高。白楊等[16]對白洋淀流域生物多樣性、水源涵養(yǎng)、土壤保持和固碳釋氧等生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行了評估，通過政策情景與保護情景分析，探討了農業(yè)直接經濟收入與生態(tài)服務功能之間的關系。劉曉娜等[17]對北京市門頭溝區(qū)不同土地利用/覆被類型的單位面積土壤保持功能進行了估算，發(fā)現(xiàn)除耕地外，其他地類的土壤保持總量均呈增加趨勢。

北三河流域地跨北京、天津、河北三省（市），流域內植被覆蓋度較高，對減少下游地區(qū)河流淤積、防止風沙危害具有重要作用，是京津冀地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障。開展北三河流域土壤保持功能的研究，不僅有利于流域防風固沙，而且對京津冀地區(qū)的生態(tài)安全和生態(tài)保護至關重要。現(xiàn)有研究多為單一時間尺度，缺乏持續(xù)性的關注。因此，以北三河流域為研究區(qū)，基于2000—2017年的降水、土地利用、土壤和DEM等數(shù)據(jù)，運用InVEST模型，對流域土壤保持功能的時空變化進行定量分析，探析土壤保持功能的變化規(guī)律及驅動因素，以期為北三河流域水土保持及生態(tài)管理提供決策依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北三河地跨北京、天津、河北三?。ㄊ校?，地理位置介于38°58′～41°37′N，115°25′～118°27′E之間。其北部為華北地區(qū)的燕山山脈，包括燕山和軍都山，東南部為廣闊平原。北三河是海河流域北部的北運、潮白和薊運3條河系的總稱，介于永定河和灤河水系之間，流域面積約38 400 km2。北三河流域分為白河、黑河、湯河、潮河、潮白河、溫榆河、泃河、北運河、潮白新河、還鄉(xiāng)河、永定河、永定新河、薊運河和北京排污河共14個子流域。其中潮白河流域面積最大，為6 330 km2，潮白新河流域面積最小，為730 km2。流域屬于溫帶東亞季風氣候區(qū)，多年平均降水量約600 mm，80%～85%的年降水量都集中在汛期[18]。研究區(qū)內植被覆蓋率較高，河流縱橫，湖泊眾多，其生態(tài)系統(tǒng)在保持水土方面發(fā)揮著重要作用。近20年來，人類不合理的生產和生活方式使流域生態(tài)環(huán)境遭到一定程度的破壞，表現(xiàn)為河流徑流顯著減少、水域萎縮、森林面積縮減等，上述問題嚴重制約了生態(tài)系統(tǒng)服務功能的發(fā)揮[19]。

圖1 北三河流域概況（審圖號：GS（2022）3264號）

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的基礎數(shù)據(jù)包括降水、土地利用、土壤和DEM等資料。降水數(shù)據(jù)為2000—2017年北三河流域內部及周邊28個國家氣象站資料，來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn/home.do）。土地利用數(shù)據(jù)為2000、2005、2010和2015年4期中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測資料（空間分辨率100×100 m），而土壤屬性的原始數(shù)據(jù)集為中國科學院南京土壤所完成的中國1∶100萬土壤數(shù)據(jù)庫，二者均來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/）。覆蓋流域的數(shù)字高程模型（DEM）為SRTM 90 m分辨率數(shù)據(jù)，來源于中國科學院地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）。

1.2.2 模型原理

InVEST模型中土壤保持模塊包括土壤侵蝕減少量和泥沙持留量兩部分，前者為潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量的差值，后者表示該地塊對進入它的上坡來沙的持留，以來沙量與泥沙持留率的乘積表示[17]。模型計算公式如下：

SEDRETx=Rx×Kx×LSx×（1-Cx×Px）+

SEDRx。

（1）

（2）

USLEx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px。

（3）

式中，SEDRETx和SEDRx分別為柵格x的土壤保持量和泥沙持留量；USLEx和USLEy分別為柵格x及其上坡柵格y的實際土壤侵蝕量；SEx代表柵格x的泥沙持留效率；Rx、Kx、LSx、Cx和Px分別代表柵格x的降水侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡度坡長因子、植被與經營管理因子和水土保持措施因子。

1.2.3 參數(shù)計算

1.2.3.1 降水侵蝕性因子R

降水侵蝕性因子R是土壤侵蝕的主要驅動因子之一，表示由降水引起的土壤侵蝕[20]。其計算采用Wischmeier[21]的月尺度公式：

（4）

式中，P表示年平均降水量（mm），Pi表示月平均降水量（mm），R的單位為MJ·mm·（hm2·h·a）-1。

1.2.3.2 土壤可蝕性因子K

土壤可蝕性因子K表示在其他條件都相同的情況下，由于土壤本身性質不同所引起的侵蝕量差異[14,22]，其計算采用Williams等[23]提出的計算方法：

K=0.131 7×{0.2+0.3exp[-0.025 6SAN（1-

（5）

（6）

式中，SAN、SIL和CLA分別為砂粒、粉粒和粘粒的含量值大小（%），c表示有機碳含量值大?。?），K的單位為t·hm-2·h·（hm2·MJ·mm）-1。

1.2.3.3 坡度坡長因子LS

坡度坡長因子LS反映了坡度與地表狀況之間的關系，它本質上是雨滴或泥沙流動直到能量消失為止的距離，坡度越陡，坡長越長，則越容易發(fā)生侵蝕危害。InVEST模型對于不同坡度，能自動計算LS因子的值，本文參照已有研究成果，將邊坡閾值設為25°[15]。

當坡度小于邊坡閾值時，坡度坡長的計算公式為：

（7）

（8）

當坡度大于邊坡閾值時，坡度坡長的計算公式為：

LS=0.08β0.35s0.6。

（9）

（10）

式中，F(xiàn)a為匯水累積閾值，Cs為柵格大小，s為坡度，n為與坡度有關的參數(shù)，β為根據(jù)流向確定的柵格大小值。

1.2.3.4 植被與經營管理因子C和水土保持措施因子P

C和P是侵蝕動力的抑制因子, 起著保持水土的作用[24]。植被與經營管理因子C表示在不同植被覆蓋情況下的土壤保持功能，為地表有植被時的土壤流失量與地表裸露時的土壤流失量之比，其值介于0～1之間。水土保持措施因子P是采取一定水土保持措施后的土壤侵蝕量與不采取水土保持措施順坡種植時相應的土壤侵蝕量的比值。P值也介于0～1之間，極值0表示該區(qū)域土地表面采取了極好的水土保持措施，極值1表示該區(qū)域土地沒有采取任何水土保持措施。本研究根據(jù)海河流域相關研究[25]，對C、P因子賦值。

2 結果與分析

2.1 時間變化特征分析

2000—2017年北三河流域實際和潛在土壤侵蝕量及土壤保持量的年際變化如圖2。結果顯示，流域近18年平均土壤保持量為5.90×108t，其年際變化呈現(xiàn)微弱減少趨勢，減少率為0.03×108t·a-1，土壤保持量最大值出現(xiàn)在2004年，高達10.90×108t，最小值在2014年，僅為2.18×108t。

實際土壤侵蝕量和潛在土壤侵蝕量的多年平均值分別為0.07×108t和5.08×108t，其變化趨勢與土壤保持量相似，均呈現(xiàn)微弱減少趨勢，減少率分別為6.31×104t·a-1和0.03×108t·a-1。

圖2 2000—2017年北三河流域土壤保持量、實際土壤侵蝕量和潛在土壤侵蝕量

圖3展示了2000—2017年北三河各子流域的土壤保持量。其中，潮河（1.63×108t）和潮白河（1.57×108t）流域的土壤保持量較高，達到108t這一量級。其次為白河（0.88×108t）、黑河（0.44×108t）、湯河（0.43×108t）、泃河（0.41×108t）、溫榆河（0.34×108t）和還鄉(xiāng)河流域（0.17×108t），而永定新河（53.06×104t）、北運河（39.11×104t）和北京排污河（30.39×104t）等子流域土壤保持量較低。

從各子流域土壤保持量的年際變化趨勢看，白河和湯河流域的變化最為顯著，其土壤保持量均呈減少趨勢，減少率分別為0.07×108t·a-1和0.04×108t·a-1。

圖3 2000—2017年各子流域土壤保持量平均值及其變化

2.2 數(shù)量變化特征分析

鑒于北三河不同子流域的土壤保持功能具有明顯差異，采用單位面積下的土壤保持量這一指標來衡量土壤保持能力的強弱。根據(jù)我國《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190—2007），將北三河流域的土壤侵蝕強度分為微度、輕度、中度、強度、極強度和劇烈侵蝕6個等級（圖4，表1）。土壤侵蝕比較嚴重的地區(qū)主要分布于流域上游地區(qū)，包括白河、黑河、溫榆河西北部、湯河、潮河、潮白河北部以及泃河和還鄉(xiāng)河東北部等子流域。以上地區(qū)主要分布于北部山區(qū)，土地利用類型以林地、草地和耕地為主，地形起伏較大，加上人類對礦產資源的開發(fā)以及砍伐樹木、開墾耕地，使這些地區(qū)易發(fā)生土壤侵蝕。對實際侵蝕強度分布進行統(tǒng)計（表1），發(fā)生微度侵蝕和輕度侵蝕的面積超過研究區(qū)總面積的99%，土壤侵蝕量占總侵蝕量的79.04%。而發(fā)生強度以上侵蝕的面積僅占0.16%，土壤侵蝕量占比為7.77%，說明北三河以微度和輕度侵蝕為主。對潛在侵蝕強度分布進行統(tǒng)計，發(fā)生微度侵蝕和輕度侵蝕的面積約占總面積的50%，而土壤侵蝕量占比僅為1.26%。發(fā)生強度以上侵蝕的面積占44.19%，而土壤侵蝕量占97.09%，說明北三河流域的土壤侵蝕存在較大的潛在風險。結合實際侵蝕的統(tǒng)計結果，植被和人工管理措施使?jié)撛诘妮^嚴重侵蝕的面積和強度都大幅下降，一定程度上減少了強烈侵蝕的隱患。

圖4 2000—2017年北三河流域平均實際（a）和潛在土壤侵蝕強度（b）（審圖號：GS（2022）3264號）

表1 土壤侵蝕面積和強度等級劃分

2.3 空間變化特征分析

2.3.1 空間分布格局

圖5為北三河流域2000、2005、2010和2015年4期土壤保持空間分布圖。為消除氣候異常對土壤保持結果造成不確定性，上述4期結果均為其相鄰年份的平均值，其中2000為2000—2002年、2005為2003—2007年、2010為2008—2012年、2015為2013—2017年。結果顯示，2000年土壤保持量為167.26 t·hm-2·a-1，2005年為169.16 t·hm-2·a-1，2010年為140.92 t·hm-2·a-1，2015年為144.25 t·hm-2·a-1，土壤保持量整體呈減少趨勢。

2000—2015年北三河流域土壤保持量空間分布表現(xiàn)為北高南低的分布特征。土壤保持功能高值區(qū)（>150 t·hm-2·a-1）主要位于北部地區(qū)，包括白河、黑河、湯河、潮河、潮白河北部、溫榆河西北部、泃河和還鄉(xiāng)河北部等區(qū)域，面積占流域總面積的27%，平均土壤保持量高達493.30 t·hm-2·a-1。這些地區(qū)土壤保持功能較強的原因主要是：降雨強度較弱，對土壤的沖擊和破壞較小，土地利用類型以林地和草地為主，植被覆蓋度較高，起到一定的保護作用，相應的土壤質地可蝕性較弱。此外，2005年以來實施生態(tài)林補償、礦山修復等生態(tài)修復工程[17]，加強了土壤的保持功能。

土壤保持功能低值區(qū)（<5 t·hm-2·a-1）主要位于流域南部，包括潮河與潮白河流域交界、永定新河北部、泃河南部，以及永定河西部和北京排污河東南部等地區(qū)，面積占比達43%，而平均土壤保持量僅為1.87 t·hm-2·a-1。這些地區(qū)土壤保持功能較低的原因主要是：強降雨較多，對土壤的沖擊和破壞較大，土地利用類型多為水域和未利用地，植被覆蓋度低，人工保護措施較少，導致土壤保持功能下降。

圖5 2000（a）、2005（b）、2010（c）、2015（d）年北三河流域土壤保持空間分布圖（審圖號：GS（2022）3264號）

2.3.2 空間變化格局

北三河流域土壤保持量的變化特征具有明顯的空間差異性（圖6）。2000—2015年，流域年均土壤保持量由167.26 t·hm-2·a-1減少至144.25 t·hm-2·a-1，減少了約23 t·hm-2·a-1（13.76%）。土壤保持量呈現(xiàn)增加的區(qū)域占流域總面積的39.15%，而減少的區(qū)域占60.85%。其中，顯著減少（<-30 t·hm-2·a-1）的區(qū)域最多，面積占比高達38.39%；其次是輕微增長（0～10 t·hm-2·a-1）和輕微減少（-10～0 t·hm-2·a-1）的區(qū)域，面積占比分別為32.80%和17.64%；其他變化區(qū)間的面積占比均低于5%。從空間變化格局看，北三河流域北部的白河、黑河、湯河、潮河和潮白河北部土壤保持量減少較多且集中，該地區(qū)土壤保持量的減少普遍超過30 t·hm-2·a-1。中部的溫榆河西部、潮白河、潮河和泃河交界地區(qū)，以及東南部的潮白新河、還鄉(xiāng)河和永定河等子流域土壤保持量呈輕微減少趨勢，減少量多介于-10～0 t·hm-2·a-1之間。而西南部的北運河、永定河和薊運河等子流域土壤保持量呈輕微增長趨勢（0～10 t·hm-2·a-1）。從間隔5年的階段性變化看，2000—2005年北三河流域土壤保持量變化不大，僅微弱增加了1.66 t·hm-2·a-1（0.74%），其增加區(qū)域主要分布在潮河南部、潮白河北部、溫榆河西北部、泃河和還鄉(xiāng)河北部。2005—2010年土壤保持量減少了6.09 t·hm-2·a-1（5.55%），其減少區(qū)域主要分布在潮河和湯河北部。2010—2015年土壤保持量增加了1.07 t·hm-2·a-1（1.01%），其增加區(qū)域主要分布在黑河、湯河和潮河北部。

圖6 2000—2005（a）、2005—2010（b）、2010—2015（c）、2000—2015（d）年北三河流域土壤保持空間變化圖（審圖號：GS（2022）3264號）

2.4 不同土地利用類型的土壤保持功能

為衡量不同土地利用類型土壤保持功能的強弱，利用ArcGIS軟件統(tǒng)計了北三河流域各土地利用類型的土壤保持量（圖7）。

整體上，各土地利用類型單位面積土壤保持能力排序為林地（350.49 t·hm-2·a-1）>草地（213.41 t·hm-2·a-1）>耕地（40.30 t·hm-2·a-1）>水域（22.35 t·hm-2·a-1）>未利用地（17.02 t·hm-2·a-1）>建設用地（10.80 t·hm-2·a-1）。2000—2015年，各土地利用類型的單位面積土壤保持量均呈下降趨勢，其中林地減少量最多，高達46.20 t·hm-2·a-1（12.31%），其次為草地和耕地，其土壤保持減少量分別為42 t·hm-2·a-1（17.54%）和5.70 t·hm-2·a-1（12.98%）。從間隔5年的階段性變化看，2000—2005年，草地和耕地的單位面積土壤保持能力略有下降，其減少量分別為4.09 t·hm-2·a-1（<2%）和0.17 t·hm-2·a-1（<0.5%），除此之外，其他地類的保持能力都呈上升趨勢，林地增加量最多，為9.25 t·hm-2·a-1（2.47%）。2005—2010年各土地利用類型的單位面積土壤保持能力均呈下降趨勢，其中林地和草地的土壤保持減少量較多，分別為61.29 t·hm-2·a-1（15.94%）和46.86 t·hm-2·a-1（19.83%）。2010—2015年，除了建設用地的單位面積土壤保持量有輕微減少（0.37 t·hm-2·a-1）外，其他地類的土壤保持量均有所增加，尤其是草地，增加量為8.79 t·hm-2·a-1（4.64%）。

圖7 不同土地利用類型的土壤保持能力

3 討論與結論

3.1 討論

北三河流域的土壤保持功能除了受自然因素的影響外，人為因素也占據(jù)重要比重。通過近18年研究區(qū)土地利用變化的對比分析，發(fā)現(xiàn)土壤保持功能較強的林地和草地的面積不斷縮小，面積減少率分別為0.10×104hm2·a-1和0.09×104hm2·a-1，而土壤保持能力最弱的建設用地面積不斷擴張，增長率高達3.11×104hm2·a-1?？撤ド郑瑪D占草地、耕地，使土壤性質較好的土地面積不斷減小，土地質量逐漸下降，導致土壤可蝕性增大。植被覆蓋對流域內土壤保持起到積極作用，但林草面積的縮小使植被覆蓋措施難以有效地發(fā)揮作用。因此調整土地利用類型，加強林地的保護，嚴格控制森林砍伐與消耗，完善生態(tài)保護的管理機制，在社會發(fā)展的同時也要注重土壤保持功能的保護。

本研究利用InVEST模型對北三河流域的土壤保持功能進行了定量計算與動態(tài)分析，期間仍存在一些誤差與不足：模型部分參數(shù)參考了InVEST模型數(shù)據(jù)庫的參數(shù)，尤其是植被與經營管理因子C和水土保持措施因子P引用了流域附近地區(qū)的相關研究成果，可能與流域實際情況有出入，應用于北三河流域會產生一定的不確定性。此外，本研究關注的焦點為北三河流域的土壤侵蝕狀況和土壤保持功能，并沒有落實到生態(tài)系統(tǒng)服務價值上，有待進一步研究。

3.2 結論

本文基于InVEST模型沉積物保留模塊，分析了2000—2017年北三河流域土壤侵蝕和保持量的時空變化特征，探討了不同子流域和不同土地利用類型的土壤保持功能。主要結論如下：

（1） 2000—2017年北三河流域平均土壤保持量為5.90×108t，其年際變化呈現(xiàn)微弱減少趨勢，減少率為0.03×108t·a-1。實際土壤侵蝕量與潛在土壤侵蝕量變化趨勢與土壤保持量相似，均呈現(xiàn)微弱減少趨勢，減少率分別為6.31×104t·a-1和0.03×108t·a-1。

（2） 北三河流域多年平均實際土壤侵蝕量與潛在土壤侵蝕量分別為0.07×108t和5.08×108t。實際土壤侵蝕以微度和輕度侵蝕為主，但潛在土壤侵蝕的數(shù)量與強度都較為嚴重，研究區(qū)存在強烈侵蝕隱患。

（3） 北三河流域土壤保持量空間分布表現(xiàn)為北高南低的空間分布特征，北部高植被覆蓋度的山區(qū)平均土壤保持量高達493.30 t·hm-2·a-1，土壤保持量減少較多且集中，減少量普遍超過30 t·hm-2·a-1，而南部耕地及居民區(qū)平均土壤保持量僅為1.87 t·hm-2·a-1，且土壤保持量變化較小（±10 t·hm-2·a-1）。

（4） 北三河流域單位面積土壤保持能力較強的為林地（350.49 t·hm-2·a-1）和草地（213.41 t·hm-2·a-1），而耕地（40.30 t·hm-2·a-1）、水域（22.35 t·hm-2·a-1）、未利用地（17.02 t·hm-2·a-1）和建設用地（10.80 t·hm-2·a-1）均較弱。2000—2015年各土地利用類型的單位面積土壤保持量均呈下降趨勢，尤其是林地，其次為草地和耕地。